構(gòu)建靈活的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)調(diào)查，亞洲與澳大利亞2004年用作能源的石油已達(dá)1.65萬(wàn)億升。該調(diào)查還顯示，自1990年起，石油的需求量每年都在上升，致使這種已近枯竭的自然資源價(jià)格不斷攀升。燃料電池作為一種替代能源，有望用于解決能源緊張的問題。

太空旅行是最早采用燃料電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)。早在1960年初，通用電子公司制造的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池就曾為NASA的GemiNI PXI技術(shù)開發(fā)出無(wú)線電接收機(jī)NI和阿波羅太空艙的電力系統(tǒng)提供能源。從那時(shí)開始，燃料電池技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其應(yīng)用如今已遍及從筆記本電腦和MP3播放器到混合動(dòng)力汽車甚至建筑物等各個(gè)領(lǐng)域。隨著燃料電池的應(yīng)用不斷增多，設(shè)計(jì)工程師不但需要了解這種技術(shù)的原理，還應(yīng)熟悉燃料電池堆(cell stack)的可靠性與功能性測(cè)試。本文主要介紹構(gòu)建燃料電池測(cè)試系統(tǒng)的兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：可伸縮性和隔離。

測(cè)試需求

燃料電池是一種設(shè)備，它能利用氫這種地球上最豐富的元素將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。PEM燃料電池(最常用的一種燃料電池)中，在多孔陽(yáng)極(porous anode)與陰極之間有一層電解膜。這層電解膜由一種允許質(zhì)子通過但阻擋電子通過的特殊材料制成。PEM電池工作時(shí)，讓氫氣和氧氣分別通過陽(yáng)極與陰極，從而產(chǎn)生電流。陽(yáng)極發(fā)生接觸反應(yīng)將氫氣分解為質(zhì)子，這些質(zhì)子通過PEM到達(dá)陰極。電子不能穿透PEM，所以會(huì)沿著其周圍的一條電路到達(dá)陰極，這條電路中電子的移動(dòng)就形成了電流。

PEM燃料電池主要用于汽車應(yīng)用中，電池堆中的每個(gè)電池單元可產(chǎn)生1.1V到1.23V的電壓。那么燃料電池與普通電池的差異在何處呢？普通電池只能存儲(chǔ)有限的電荷，因而使用時(shí)間有限，燃料電池卻不同，只要保持恒定的氫和氧供應(yīng)，燃料電池就能一直提供能量。這種能夠持續(xù)產(chǎn)生能量的特點(diǎn)使燃料電池非常適合為汽車和建筑物提供能源。但有些要求能量來(lái)源十分可靠的應(yīng)用就需要在使用前對(duì)燃料電池進(jìn)行徹底的測(cè)試。

燃料電池是一種可伸縮、復(fù)雜度最低，卻能產(chǎn)生“很多電能”的系統(tǒng)。燃料電池的靈活性也決定了，為保證安全、長(zhǎng)期使用，需要有一種靈活的方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。因此，在能添加I/O點(diǎn)的模塊化平臺(tái)上構(gòu)建燃料電池測(cè)試應(yīng)用就顯得至關(guān)重要。

除了應(yīng)具備模塊化和可伸縮的特性外，測(cè)試系統(tǒng)還應(yīng)該既能測(cè)量整個(gè)電池堆的電壓也能測(cè)量每個(gè)電池單元的電壓。電池堆的每個(gè)單元中，氫氣和氧氣通過陽(yáng)極和陰極的流速都不同，因此每個(gè)單元提供的電壓也不同。于是，監(jiān)測(cè)這些電壓，從而了解每個(gè)單元是否工作正常，以及控制氣體流速以達(dá)到能源產(chǎn)生的最佳狀態(tài)，這些都十分重要。除了氣體流速之外，對(duì)燃料電池的溫度也必須加以控制。以PEM燃料電池為例，60℃到80℃就是最佳工作溫度。

圖1：各種燃料電池的工作過程

要保證對(duì)整個(gè)電池堆電壓的測(cè)量可靠，就要求測(cè)試系統(tǒng)的通道-地之間有足夠的隔離度，而且系統(tǒng)擁有足夠的抑制共模信號(hào)的能力。雖然每個(gè)電池單元產(chǎn)生的電壓可能還不超過1V，但多個(gè)電池單元堆疊起來(lái)卻可能輸出很高的電壓和電流。高性能的電池堆中往往包含成百上千個(gè)單元。因此，要準(zhǔn)確體現(xiàn)燃料電池堆的特性，系統(tǒng)必須能在大共模電壓下(往往高達(dá)幾百伏)對(duì)小電壓進(jìn)行多通道測(cè)量。

測(cè)試方法

一種進(jìn)行燃料電池測(cè)試的方法是采用嵌入式可編程自動(dòng)控制(PAC)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)既能測(cè)量單元電池電壓，也能控制氣體流速和溫度等因素。NI的 CompactRIO高速CAN連接能力，NI最新通信技術(shù)大展拳腳" target=_blank>CompactRIO等模塊化現(xiàn)成方案不但能提供這些特性，還具備更豐富的擴(kuò)展功能。CompactRIO采用可伸縮設(shè)計(jì)，采用了一個(gè)開放的嵌入式架構(gòu)工業(yè)I/O模塊，具有小尺寸、極高耐用性以及可熱插拔的特點(diǎn)。

圖2：NI 9206能夠承受高達(dá)600V的共模電壓，兩組電池單元之間的隔離也可達(dá)10V

用于燃料電池的NI 9206 CompactRIO模擬輸入模塊配備了16個(gè)差分通道，內(nèi)置一個(gè)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于對(duì)電池堆進(jìn)行測(cè)量。通過在底板上增加更多模塊，還可以輕松實(shí)現(xiàn)通道數(shù)擴(kuò)展。為了克服共模電壓引入的誤差，NI 9206在其每組8通道，共兩組的結(jié)構(gòu)內(nèi)提供了600V的通道到地隔離。這兩組結(jié)構(gòu)采用相同的COM端子，二者之間可達(dá)到10V的隔離。因此，NI 9206上兩組結(jié)構(gòu)(每組8個(gè)差分通道)間的壓差總共不能超過10V，但COM端子本身相對(duì)于地可以高達(dá)600V。所以NI 9206最適合測(cè)量PEM這類單元電池測(cè)量值不超過1.2V的電池堆。此外，盡管該模塊對(duì)單個(gè)電池單元測(cè)量而言十分理想，但它并不滿足測(cè)試一組電池單元或測(cè)量電池堆總電壓所需的隔離要求。